PBR sensitivity to boosted dark matter explanation for the KM3-230213A event

Diep in de oceaan, ver onder de golven, luistert een netwerk van sensoren naar de kleinste rimpelingen van licht. Dit is het domein van de neutrino-astronomie, een vakgebied dat zich wijdt aan het opsporen van spookachtige deeltjes die bijna ongehinderd door het universum razen. In tegenstelling tot licht, dat weerkaatst op stof of wordt geabsorbeerd door gas, kunnen deze deeltjes miljarden jaren door het kosmos reizen en recht door planeten gaan zonder te stoppen. Omdat ze informatie dragen van de meest gewelddadige en energetische gebeurtenissen in het universum — zoals exploderende sterren of botsende zwarte gaten — worden ze beschouwd als de ultieme boodschappers van het kosmos. Jarenlang hebben wetenschappers geprobeerd deze deeltjes te vangen om de extreme motoren te begrijpen die het universum aandrijven. Recentelijk registreerde een detector in de Middellandse Zee, bekend als KM3NeT, een muon, een zware neef van het elektron, met een energie die zo hoog was dat het de huidige verwachtingen tartte. Dit enkelvoudige evenement, geregistreerd in het begin van 2023, heeft een wereldwijde discussie ontketend over de vraag of ons begrip van de natuurkunde compleet is of dat er iets geheel nieuws aan de hand is.

Het mysterie concentreert zich rond een specifiek deeltjesspoor gedetecteerd door het KM3NeT-observatorium. De muon bewoog bijna horizontaal, vlak boven de horizon langs, met een gereconstrueerde energie van 120 PeV, een getal dat zo groot is dat het moeilijk te bevatten is. Hoewel de detector is ontworpen om neutrino's uit de ruimte op te vangen, zou een deeltje met zulke hoge energie theoretisch een muon kunnen zijn die uit de atmosfeer van de Aarde afkomstig is, gecreëerd wanneer kosmische stralen de lucht raken. Onderzoekers achter een nieuwe studie hebben echter aangetoond dat deze verklaring effectief onmogelijk is. Ze berekenden dat voor een atmosferische muon om de reis door rots en water naar de detector te overleven met die hoeveelheid energie, het met een onmogelijk hoge energie aan het oppervlak had moeten beginnen. Zelfs met de meest genereuze aannames over hoe deze deeltjes energie verliezen, zijn de kansen dat een atmosferische muon de reis maakt zo verwaarloosbaar klein dat ze kunnen worden uitgesloten. Dit laat de deur open voor het feit dat het deeltje iets veel exotischer kan zijn, misschien afkomstig van een bron buiten ons zonnestelsel.

Nu de gewone verklaring is verworpen, verschuift de focus naar de mogelijkheid van nieuwe natuurkunde. Eén overtuigende theorie suggereert dat het evenement niet werd veroorzaakt door een standaard neutrino, maar door een stroom van "boosted donkere materie". In dit scenario reizen onzichtbare deeltjes van een verre astrofysische bron naar de Aarde en interageren ze met de kern van de planeet. In plaats van door de Aarde heen te gaan of te stoppen, botsen deze deeltjes donkere materie met atoomkernen binnen de Aarde, wat een kettingreactie veroorzaakt die een paar zware deeltjes genaamd tau's produceert. Deze tau's verlaten vervolgens de Aarde en vervallen in de atmosfeer, waarbij ze een straal van deeltjes creëren die een flits van licht uitzenden. Deze specifieke keten van gebeurtenissen, voorgesteld door andere theoretici, biedt een manier om te verklaren waarom de KM3NeT-detector zo een massaal signaal zag terwijl andere observatoria, zoals IceCube in Antarctica, niets zagen. Het verschil ligt in het pad dat de deeltjes aflegden; de Aarde zelf fungeert als een filter, waardoor alleen specifieke soorten interacties aan de andere kant kunnen verschijnen.

Om te testen of deze exotische verklaring waar zou kunnen zijn, heeft een team van wetenschappers de mogelijkheden geanalyseerd van een toekomstig instrument genaamd PBR, of de POEMMA-Balloon met Radio. Gepland voor lancering in 2028, zal dit instrument boven de Zuidelijke Oceaan op een hoog zwevend ballon vliegen, uitgerust met een gespecialiseerde telescoop die ontworpen is om net onder de horizon te kijken. Zijn taak is het opvangen van de zwakke, ultrasnelle flitsen van licht die ontstaan wanneer deeltjes die uit de Aarde tevoorschijn komen in de atmosfeer vervallen. De onderzoekers gebruikten computersimulaties om te zien of PBR het specifieke type signaal zou kunnen detecteren dat zou worden geproduceerd als het KM3NeT-evenement inderdaad door "boosted" donkere materie werd veroorzaakt. Ze modelleerden de reis van deze hypothetische deeltjes terwijl ze door de Aarde reisden, interageerden en tevoorschijn kwamen om een detecteerbare flits van licht in de lucht te creëren.

De resultaten van deze simulatie zijn veelbelovend. De studie concludeert dat als het KM3NeT-evenement werd veroorzaakt door dit specifieke type donkere materie, het PBR-instrument gevoelig genoeg zou zijn om soortgelijke gebeurtenissen te detecteren, mits de deeltjes donkere materie energieën boven een bepaalde drempel hebben. Voor de meest waarschijnlijke scenario's zou het instrument deze signalen kunnen ontdekken bij energieën zo laag als 150 miljoen GeV, en het zou zeer effectief zijn bij energieën boven één miljard GeV. De onderzoekers merkten ook op dat de gevoeligheid afhangt van de specifieke eigenschappen van de donkere materie, zoals hoe sterk deze interageert met normale materie. In sommige gevallen zou het instrument nog krachtiger kunnen zijn, in staat om signalen te zien over een breed scala aan energieën die overlappen met het mysterieuze evenement dat door KM3NeT werd waargenomen. Cruciaal is dat de studie aantoont dat de locatie van het oorspronkelijke evenement aan de hemel goed binnen het bereik valt dat PBR zal kunnen monitoren tijdens zijn vlucht.

Dit werk bewijst niet dat het KM3NeT-evenement door donkere materie werd veroorzaakt, noch bevestigt het dat het nieuwe natuurkundemodel correct is. In plaats daarvan stelt het een duidelijk pad naar verificatie vast. Door precies te berekenen wat het PBR-instrument zou zien als de theorie waar zou zijn, hebben de onderzoekers een concreet doelwit geboden voor de komende missie. Als PBR deze specifieke lichtflitsen vanuit dezelfde richting detecteert, zou dat een monumentale ontdekking zijn, die het bestaan van een nieuw type deeltje bevestigt en een nieuw venster op de donkere sector van het universum opent. Als het niets ziet, zal het strikte grenzen stellen aan hoe dergelijke deeltjes kunnen zich gedragen, wat fysici zal dwingen hun theorieën te heroverwegen. Op welke manier dan ook, de combinatie van de KM3NeT-observatie en de PBR-simulatie vertegenwoordigt een belangrijke stap in de voortdurende inspanning om de meest energetische processen in het kosmos te begrijpen, waarbij men beweegt van een enkel puzzelend datapunt naar een toetsbare wetenschappelijke hypothese.